Дисковые тормоза барабанные тормоза: Стоит ли менять барабанные тормоза на дисковые?

Как работают барабанные тормоза?

Барабанный тормозной механизм может выглядеть достаточно сложным и, может быть, даже пугающим, если Вы вздумаете попытаться разобрать его. Тем не менее, давайте сделаем это — разберём его прямо онлайн в этой статье и рассмотрим каждый кусок барабанного тормоза более детально, а также совместную работу всех этих «кусков».

Как и дисковый тормоз, барабанный работает главным образом за счёт двух тормозных колодок, поршня и поверхности, к которой прижимаются колодки. Но у барабанного тормоза также есть специальный механизм-регулятор, механизм ручного тормоза и кое-что ещё. Когда Вы нажимаете на педаль тормоза, поршень толкает тормозные колодки к барабану. Согласитесь, выглядит как довольно простой механизм! Но зачем тогда барабанным тормозам нужны все другие детали? На самом деле работа барабанного тормоза немного сложнее, чем дискового.

Барабанный тормоз в сборе с барабаном (слева) и со снятым барабаном (справа)

Как работают барабанные тормоза?

Итак, давайте посмотрим, как работают барабанные тормоза на примере анимации: нажмите кнопку «Воспроизвести», чтобы увидеть, как колодки останавливают крутящийся барабан, а вместе с ним и колесо машины, и весь автомобиль.

В данной анимации Вы можете увидеть, что барабан (с синим отблеском) сначала крутится в своём нормальном режиме — не ускоряясь и не замедляясь. Затем, когда мы нажимаем на педаль тормоза, специальный поршень раздвигает колодки (салатового цвета) со специальными накладками на них (серого цвета) — последние необходимы для того, чтобы значительно улучшить тормозное усилие, увеличив силу трения, и в то же время, чтобы барабан не изнашивался слишком быстро от такой огромной силы трения. Раздвинутые колодки, таким образом, прижимаются своей рабочей поверхностью — накладками — к крутящемуся барабану, останавливая его. Как видите, всё очень просто!

Однако, теперь давайте посмотрим, какие же ещё есть детали барабанного тормозного механизма в этой анимации:

Вы заметили, что мы ранее не упоминали о ручном тормозе, который есть в тормозах задней оси автомобиля. Как видим, ручной тормоз потому и называется ручным, что фактически Вы с помощью рычага натягиваете колодки, прижимая их к барабану.

Как работает механизм регулировки барабанных тормозов?

У барабанных тормозов есть один небольшой, но веский «каприз»: чтобы им функционировать правильно, тормозные колодки должны находиться близко к барабану, но не касаясь его. Если они будут слишком далеко от барабана (по мере их износа, например), поршень потребует гораздо больше тормозной жидкости (тормозная жидкость — это специальная жидкость, которая находится внутри трубки, которая идёт от педали тормоза до тормозного цилиндра так, что когда Вы нажимаете педаль тормоза, Вы вдавливаете эту жидкость в цилиндр, что заставляет её толкать поршни), чтобы преодолеть это возросшее расстояние, и Ваша педаль тормоза будет тонуть глубже к полу, когда Вы будете жать на тормоза. Именно поэтому большинство барабанных тормозов имеют автоматический регулятор.

На рисунке выше Вы можете увидеть натяжитель — именно он используется для регулировки барабанного тормоза. Давайте посмотрим ещё одну анимацию, чтобы наглядно увидеть, как работает регулятор тормозного механизма — это довольно уникальная схема работы и, можно сказать, гениальная.

В данной анимации Вы можете увидеть, что, по мере того как колодки изнашиваются, образуется больше пространства между ними и барабаном. Каждый раз, когда автомобиль останавливается, когда Вы нажимаете на тормоз, вместе с разводом колодок поднимается специальный рычаг натяжителя (жёлтого цвета на анимации), приводясь в действие тросиком, который, в свою очередь работает от тех же поршней тормозного механизма. Причём, рычажок это поднимается тем выше, чем больше ход у колодок (а у изношенных колодок становится больше хода). Когда разрыв между колодками и барабаном становится достаточно большим, регулировочный рычаг также поднимается настолько высоко, что захватывает своим зубчиком зубчик шестерни регулятора, заставляя его совсем немного провернуться. На регулятор, в свою очередь, нанесена резьба, таким образом, по мере небольшого поворота он (регулятор) немного выкручивается, раздвигая колодки и тем самым немного приближая их к барабану. Таким образом мы получаем вроде бы и простую, но в то же время очень интересную систему саморегулирующегося тормозного механизма. Ведь Вы согласитесь, что она интересная! А когда тормозные колодки снова износятся ещё немного больше, регулятор снова сможет передвинуться, поэтому он всегда будет держать колодки близко к барабану.

Фото регулятора — автомеханик держит руками рычажок регулятора

Как обслуживаются барабанные тормоза?

Самая распространённая форма обслуживания, необходимая для барабанных тормозов чаще всего — это замена тормозных колодок, ведь именно колодки выполнены из такого материала, который бы максимально тормозил барабан при трении и в то же время изнашивался сам, а не изнашивал барабан. Некоторые барабанные тормоза имеют смотровое отверстие на задней стороне барабана, где Вы можете увидеть, сколько ресурса осталось у колодок. Обычно тормозные колодки необходимо менять, когда расстояние от начала фрикционного материала (непосредственно накладки на колодку — её рабочей поверхности) до его заклёпок составляет около 1 миллиметра. Если фрикционный материал прикреплён к опорной пластине другим способом (механизм крепления без заклёпок), то колодки необходимо заменить при их толщине около 1,5-2 мм. Более точную информацию Вы найдёте, конечно же, в инструкции по эксплуатации к Вашему автомобилю.

Изношенные тормозные колодки

Расцарапанный изношенными колодками тормозной барабан

Если вовремя не заменить колодки, то, скорее всего, они испортят барабан, сделав в нём пазы, своими заклёпками, которые будут выступать уже дальше самого трущегося о барабан материала.

Глава 3 «Дисковые тормоза» из книги «Тормоза спортивного автомобиля» Фред Пун

На этом гоночном автомобиле March Indy установлены дисковые тормоза на всех четырех колесах с двойным главным тормозным цилиндром, управляемым дистанционно с помощью балансирного механизма, поскольку охлаждение тормозов во время гонок на Phoenix International овале длиной 1,6 км является серьезной проблемой. Фото Тот Monroe.

Дисковые тормоза используйся на передних колесах большинства современных дорожных автомобилей на всех четырех колесах большинства гоночных автомобилей. Дисковые тормоза (первые были применены на автомобилях в конце 1940-хгодов, а с 1970-х барабанные тормоза на передних колесах автоюбилей были заменены на дисковые.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИСКОВЫХ ТОРМОЗОВ

Переход с барабанных тормозов на дисковые в автомобильной промышленности связан со следующими преимуществами последних:

• Дисковые тормоза менее подвержены снижению тормозных свойств из-за перегрева;

• Дисковые тормоза лучше охлаждаются;

• Дисковые тормоза лучше сопротивляются воздействию воды и загрязнениям;

• Требуется более редкое техническое обслуживание тормозов;

• Имеется большая поверхность трения при одинаковой массе; 

Основным преимуществом дисковых тормозов по сравнению с барабанными тормозами является их стойкость к снижению тормозных свойств, причинами которой являются:

• Поверхности трения непосредственно открыты для охлажу дающего воздуха;

• Отсутствие тормозного барабана исключает деформацию тормозов.

1- Тормозной шланг; 2- Суппорт; 3- Тормозные колодки; 4- Тормозной диск; 5- Защитный кожух; 6- Шпильки ступицы;  

Основными деталями дисковых тормозов являются суппорт, тормозной диск и защитный экран. Тормозная трубка соединяет гидравлические тормозные цилиндры на обеих сторонах неподвижного суппорта. Многие другие конструкции фиксированных суппортов имеют внутренние соединительные каналы для тормозной жидкости. Фото предоставлено Вendix Corp.

Недостатком дисковых тормозов ляется отсутствие самоусиления, что сказывается при их использовании на тяжелых автомобилях из-за увеличения усилия на педали тормоза. Поэтому дисковые тормоза практически всегда требуют установки усилителя тормозов, в то время как барабанные тормоза с большим усилительным действием могут обходиться без усилителя. Поскольку масса гоночных автомобилей значительно меньше, чем масса дорожных автомобилей, устанавливаемые на них дисковые тормоза обычно не требуют установки усилителя тормозов.

Дисковый тормоз Chrysler Imperial с форсированным двигателем выглядит как барабанный тормоз и работает как сцепление. Такой тормоз не работает как современный дисковый тормоз, его трущиеся поверхности расположены внутри точно обработанного корпуса.

Самой нагретой частью тормоза является металлическая поверхность, контактирующая с фрикционным материалом. На барабанном тормозе эта поверхность находится внутри барабана, а в дисковом тормозе — на внешней поверхности тормозного диска.

При охлаждении барабанного тормоза вначале температура барабана повышается и затем он охлаждается окружающим воздухом. Дисковый тормоз охлаждается немедленно воздухом, продувающим трущиеся поверхности тормозного диска.

 Дисковые тормоза применяются на гоночных автомобилях с середины 1950-х годов. Очень маленький тормозной диск этого автомобиля Chevy мощностью 300 л.с. (221 кВт), выпущенного в 1950-м году, в настоящее время не может быть использован на таких мощных автомобилях.

Тепловое расширение тормозного барабана — увеличение внутреннего диаметра — приводит к увеличению хода педали действием высокой температуры или от усилия тормоза. Деформация тормозного барабана ухудшает характеристики тормозов и может вызвать резкое снижение тормозного действия. Поскольку, в отличии от барабана, тормозной диск являеться плоской деталью, его температурное расширение в большей степени происходит в сторону фрикционного материала,чем наружу, поэтому сжатие диска не может вызвать дефформации достаточно для того , чтобы повлиять на тормозные характеристики.

Отсутствие функции самоусиления означает,что дисковые тормоза в меньшей степени подверженны изменениям коэффициента трения, в то время как работа барабанных тормозов с большим самоусилением, о чем говорилось выше, существенно зависит от изменения трения. Небольшое уменьшение коэфициента трения, вызванное нагревом тормозов, становится еще больше из-за действия самоусиления. Водитель чувствует это по резкому снижению эффективности торможения. Дисковые тормозе просто не так чувствительны как барабанные к изменению силы трения.

Форма тормозного барабан также способствует снижент эффективности тормозов из-за нагрева. Многие органические тормозные накладки при нагрве выделяют газы, которые могут действовать как смазка между тормозной накладкой барабаном, вызывая потерю трения и резкое снижение эфективности тормозов. Цилиндрическая поверхность тормозного барабана подобна подшпнику в двигателе, когда масло находящееся под высоким давлением между коренным подшипником и шейкой коленчатого вала, предохраняет рабочие поверхности от износа, сводя силу трения к минимуму, тормозной барабан и тормозные колодки работают подобным образом, когда между ними оказывается горячий газ выделяющийся из тормозной колодки. Рабочие поверхности барабана и накладки отталкивают друг от друга газом под давлением, уменьшая и снижая эффективность тормозов.

Небольшая рабочая поверхность тормозных колодок в дисковых тормозах и плоская поверхность тормозного диска не моделтруют обойму подшипника. Выделение газа из тормозной накладки здесь может иметь место, но поскольку он здесь не задерживаеться, то практически не оказывает серьёзного влияния на торможение, чем в барабанном тормозе, поскольку дисковый тормоз не создает самоусиления.

Охлаждение дисковых тормозов более эффективно, чем барабанных, потому что контакт поверхности на тормозном диске непосредственно открыты охлаждающему воздуху. Однако это делалает рабочие поверхности дисковых тормозов «потенциально»  более уязвимыми для повреждения от коррозии из-за и воздействия воды. К счастью, постоянное вытирающее действие колодок по тормозному диску поддерживает рабочие  поверхности чистыми. Кроме того, центробежная сила стремится отбросить загрязняющие материалы от тормозного диска наружу.  

Таким образом, дисковые тормоза менее чувствительны к загрязнению, чем барабанные тормоза, хотя с другой стороны, последние хорошо «смазываются» водой. Как отмечалось выше, сильнее действие самоусиления тем менее эффективно торможение. Тормозные колодки дисковых тормозов на большенстве автомобилей легко заменяются.

Обычно тормозные колодки могут быть замененыпосле снятия колеса и простых фиксаторов. В некоторых случаях при установке тормозных колодок потребуеться снять суппорт.

ДИСКОВЫЕ ТОРМОЗА С «МАЛЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ВЗАИМНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ” И ДИСКОВЫЕ ТОРМОЗА. Дисковые тормоза вначале назывались дисковыми тормозами с малым коэффициентом взаимного перекрытия. Этим названием обозначалось их отличие от дисковых тормозов, которые имели круговое расположение фрикционного материала наподобие сцепления. Такой необычный тип дисковых тормозов применялся на автомобиле Chrysler Imperial в начале 1950-х годов, но в дальнейшем эта конструкция была заменена традиционным дисковым тормозом. Многодисковые тормоза с расположением фрикционного материала по всей окружности дисков используются на больших самолетах, а малой авиации применяются обычные дисковые тормоза с “малым взаимным перекрытием». Краткая дискуссия, касающаяся авиационных тормозов, приводится в главе девятой. Проще говоря, я называю стандартные автомобильные дисковые тормоза просто дисковыми тормозами, потому что термин ‘’дисковые тормоза с малым коэффициентом взаимного перекрытия» больше не используется. Я также называю многодисковые авиационные тормоза просто «многодисковые тормоза».

На данном рисунке показано, почему дисковый тормоз охлаждается значительно лучше барабанного тормоза. Охлаждающий воздух начинает охлаждать тормозной барабан только после того, как теплота, выделяющаяся при торможении, проходит через его стенки, в то время как трущиеся поверхности дискового тормоза открыты для доступа воздуха. Теплопередача от тормозного диска к воздуху начинается немедленно после применения тормозов.

Тепловое расширение тормозного барабана осуществляется от тормозных колодок наружу, что увеличивает ход педали тормоза. Тормозной диск дискового тормоза при нагреве лишь немного расширяется в сторону тормозных колодок и, следовательно, проблема большого увеличения хода педали тормоза при нагреве дисковых тормозов, не существует.

Замена тормозных колодок на большинстве дисковых тормозов осуществляется легко. Часто колодки закрепляются быстро снимаемыми штифтами. Новые колодки устанавливаются на свое место в суппорте.

Дисковый тормоз JFZ спроектирован для мощного гоночного автомобиля, назначенного для гонок по овальному треку. Легкий суппорт с четырьмя поршнями является достаточно массивным, чтобы уменьшить деформации и снизить температуру. Фото предоставлено JFZ Engineered Products.

Другим преимуществом дисковых тормозов по сравнению с барабанными является их регулировка. Регулировка барабанных тормозов осуществляется вручную или посредством достаточно сложных устройств автоматической регулировки. Дисковые тормоза проектируются таким образом, что после каждого применения они саморегулируются из-за малого зазора между колодками и тормозным диском.

Тормозной диск имеет рабочие (контактные) поверхности с обеих сторон, в то время как рабочая поверхность тормозного барабана находится внутри него, поэтому охватывающая поверхность дискового тормоза больше, чем барабанного при таком же диаметре и массе. Большая охватывающая поверхность обеспечивает лучшее охлаждение тормозов.

ТОРМОЗНЫЕ ДИСКИ И ПРОСТАВКИ

Тормозные диски обычно изготовляются из чугуна, это самая большая и тяжелая деталь дисковых тормозов. Тормозной диск выполняется плоским с рабочими поверхностями, расположенными с обеих его сторон. Тормозной диск может быть сплошным или с вентиляционными каналами внутри него.

Проставки.

Тормозной диск обычно прикрепляется к проставке, которая в свою очередь прикрепляется к ступице колеса или фланцу моста. Проставка обеспечивает более долгий путь для передачи тепла от трущейся поверхности тормозов к колесным подшипникам, что позволяет поддерживать их температуру достаточно низкой. Иногда проставка выполняется литьем как единое целое с тормозным диском, а иногда изготовляется как отдельная деталь. Проставки изготовляются из чугуна или более легкого алюминиевого сплава. Проставки серийных автомобилей обычно изготовляются из чугуна как одно целое с тормозным диском, а проставки гоночных автомобилей делаются как отдельная деталь из алюминиевого сплава.

Если тормозной диск и проставка выполняются как отдельные детали, то последняя крепится к диску или с помощью болтового соединения, или креплением dog-drive, которое представляет собой серию радиальных прорезей в тормозном диске с металлическими защёлками (собачками), прикрепленными к проставке. Такое крепление действует как шлицевое соединение, передающее крутящий момент от тормозного диска к проставке. Такие защелки позволяют тормозному диску свободно расширяться, оставаясь в то же время сцентрированным по простаке! Такое свободное расширение, исключает нагрузки на проставку, которые могут возникнуть при сильном нагреве тормозного диска. 

Тормозной диск прикрепляется болтами к легкой алюминиевой проставке. Собранная деталь крепится затем болтами к ступице колеса или к фланцу моста. Глубокая проставка при расширении тормозного диска к высокой температуры изгибается и минимизирует таким образом пере дачу теплоты от тормозов к ступице колеса и подшипникам. Фото предоставлено JFZ Engineered Products.

Если проставка крепится к тормозному диску болтами, то при нагреве она должна расширяться вместе с диском, и если она выполнена относително тонкой и гибкой, то опасность разрывов будет исключена. Болтовое соединение между двумя деталями должно осуществляться высокопрочными болтами с плотной посадкой. Для такого соединения часто используются авиационные болты, выполняемые точной механической обработкой. Алюминиевые проставь уменьшают массу тормозов и снижают термические напряжения на тормозном диске. Поскольку алюминиевый сплав расширяется в значительно большей степени, чем чугун, имеет место тенденция уменьшить разницу в термическом расширении, вызванном очень высокой температурой тормозного диска.

Для крепления тормозного диска к проставке гоночного автомобиля АР Racing предпочтительнее применять шлицевое соединение (dog-drive), а не болтовое. Защелки на проставке уходят в прорези, выполненные механической обработкой по краю внутреннего диаметра тормозного диска. Небольшой зазор между защелками проставками и прорезями в тормозном диске позволяют ему равномерно расширяться при нагреве, оставаясь при этом сцентрированными. Грамотно спроектированная и выполненная конструкция АР Racing называется «выстроенной в форме замка”, то есть с зубцами. Фото предоставлено АР Racing.

Кроме того, поскольку твердость алюминиевого сплава составляет примерно одну треть твердости чугуна, то при данной величине термического расширения силы, приложенные к тормозному диску, оказываются значительно меньше. Легкая алюминиевая проставка позволяет улучшить характеристики управления автомобилем. Недостатком проставок из алюминиевого сплава является более высокая, чем у чугуна, теплопроводность, что приводит к большему нагреву колесных подшипников. Конструкция тормозного диска. Тормозной диск имеет много общих признаков с тормозным барабаном. Материалом обеих деталей обычно является чугун, отличающийся хорошей износоустойчивостью и хорошими фрикционными свойствами, высокими твердостью и прочностью при высоких температурах. Чугун легко поддается механической обработке и является относительнодешевым материалом. Размеры тормозного диска берутся по его наружному диаметру и общей толщине поперечного сечения между двумя рабочими поверхностями, диаметр тормозного диска обычно ограничивается размерами колеса, а вентилируемый тормозной диск всегда толще сплошного. 

На этом тормозном диске гоночного автомобиля для уменьшения его массы удалена часть металла с наружной кромки, а на лицевой стороне механической обработкой выполнены прорези для снижения вероятности проявления низкой эффективности тормозов.

Площадь охвата тормоза является важной мерой его эффективности. Для дискового тормоза это общая площадь контакта с двумя тормозными колодками при одном повороте диска. Обобщенная (комбинированная) площадь охвата всех тормозов, делённая на массу автомобиля, является одним из способов определения, насколько эффективны тормоза этого автомобиля. В хорошо спроектированных тормозах большое значение отношения площади охвата на тонну автомобиля означает высокую эффективность тормозной системы. Значения площади охвата для различных автомобилей приводятся на странице 38. Некоторые тормозные диски имеют на рабочих поверхностях прорези или отверстия, выполненные механической обработкой. Они уменьшают образование горячих газов и частиц пыли между тормозным диском и колодками. Несмотря на то, что снижение эффективности тормозов, вызванное образованием газов, в дисковых тормозах менее вероятно, чем в барабанных, тем не менее оно может иметь место. В большей мере это явление присуще тормозам с большими тормозными колодками, поскольку для удаления горячего газа из больших колодок требуется больше времени, чем из колодок небольшого размера. 

На этой усовершенствованной конструкции тормозного диска АР Racing Sphericone видны литые выступы внутри вентиляционных отверстий, передающие тепло охлаждающему воздуху более эффективно, чем стандартный вентилируемый тормозной диск. Эта конструкция используется на гоночных автомобилях Grand Prix, в которых имеет значение каждая лишняя унция массы тормозного диска. Фото предоставлено АР Racing.

Тормозной диск с криволинейными вентиляционными отверстиями или наклонными прорезями для эффективной работы должен вращаться в определенном направлении. Правильное направление вращения по отношению к вентиляционным отверстиям и прорезям показано на этом рисунке.

Следовательно, прорези (щели) или отверстия имеют во время гонок больший эффект в тормозах, работающих при высоких температурах и имеющих колодки больших размеров. Следует отметить, что вентиляционные отверстия увеличивают вероятность образования трещин в чугунных тормозных дисках, поэтому их использование должно регламентироваться специальными требованиями. Вентилируемые тормозные диски. Многие тормозные диски отливаются с радиальными охлаждающими каналами, которые действуют как воздушный насос, обеспечивающий циркуляцию воздуха от центра диска через каналы наружу тормозного диска. Такой тип тормозного диска называется вентилируемым.

Вот что обычно случается с тормозным диском при воздействии высоких термических напряжений. Поскольку тормозные диски гоночных автомобилей подвергаются таким воздействиям, их следует часто осматривать и заменять, если обнаруживаются трещины.

Вентилируемые тормозные диски применяются на большинстве тяжелых автомобилей, требующих установки дисков максимально возможных больших размеров. В более легких автомобилях обычно используются сплошные тормозные диски. Мощные гоночные автомобили имеют вентилируемые тормозные диски, при этом могут иметь место различия в толщине их боковых стенок. На многих тормозах гоночных автомобилей сторона тормозного диска, ближайшая к колесу, выполняется тоньше, чем противоположная сторона диска. Это делается для того, чтобы уравнять температуру на каждой стороне тормозного диска. Колесо сопротивляется прохождению охлаждающего воздуха к наружной рабочей поверхности тормозного диска, что делает её более горячей, чем внутренняя сторона, поэтому большая толщина плохо охлаждаемой наружной поверхности тормозного диска способствует выравниванию температур их нагрева. Тормозные диски гоночных автомобилей часто имеют криволинейные охлаждающие каналы, которые повышают эффективность действия воздушного потока. Из-за наличия криволинейных вентиляционных каналов тормозные диски для левой и правой сторон автомобиля невзаимозаменяемы, так что постарайтесь не перепутать их!

Небольшие трещины на поверхности тормозного диска гоночного автомобиля вызваны термическими напряжениями. Тормозной диск следует заменять до образования больших трещин. Небольшие поверхностные трещины часто можно удалить с помощью шлифования.

На материал действуют напряжения трёх видов — напряжение растяжения, напряжение сжатия и сдвигающие напряжения разрыва. Каждый из напряжения возникает одновременно в горячих деталях тормозов, особен если одна сторона детали оказывается более нагретой, чем другая.

Одной из проблем, связанной с вентилируемыми тормозными дисками, являеться появление трещин при частом интенсивном торможении. Трещинь появлются из-за термических напряжений и в результате тормозных колодок на металлические стенки в охлаждающем канале. Термические напряжения в тормозном диске с литой или прикрепленной болтами проставкой вызываются в месте их соединения из-за того, что температура, тормозного диска в этом у выше, чем температура у ставки. Тепловое расширение наружной части тормозного дискака при его нагреве оказывавает больше, чем расширение холодной проставки, что вызывает деформирование и изгибание у тормозного диска, приводя к появлению конусности. Постоянно повторяющиеся расширение и стягивание и вызывают появление трещин, и если трещины не появляются конусность тормозного диска приводит к неравномерно, износу тормозных накладок. Вероятность появления трещин на вентилируемом тормозном диске может быть существенно снижена двумя фактарами — если в криволинейных вентиляционных каналах oбеспечиваются печивается опора каждой стороны тормозного диска, если обеспечивается эффективное его охлаждение. 

ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Напряжение, возникающее как удельная сила внутри твердого материала, измеряется в ньютонах на квадратный миллиметр, то есть в единицах гидравлического давления. Напряжение может действовать как растягивающее, сжимающее или как напряжение сдвига. Если говорить о чугуне, то только растягивающее напряжение вызывает появление в нем трещин. Напряжение растяжения, при котором материал трескается, называется пределом прочности на разрыв. Предел прочности на разрыв серого чугуна равен приблизительно 172,4 Н/мм². Если металл нагревается, то он расширяется.

Если металлическая деталь ограничена в перемещении, то есть не может расширяться свободно, то она начинает надавливать на ограничивающий предмет с определенной силой, которая вызывает дополнительное напряжение в металле. Напряжение, вызванное изменением температуры, называется термическим напряжением. Термическое напряжение появляется, когда одна часть металлической детали оказывается более нагретой, чем другая. Если происходит экстренное торможение, то холодный до этого момента тормозной диск внезапно оказывается горячим, при этом его внутренний материал остается холодным до тех пор, пока тепло с поверхности диска не начнет проходить внутрь него. Горячая поверхность диска стремится расширяться, в то время как внутренняя холодная масса сопротивляется этому, в результате поверхность диска испытывает сжатие, а внутренняя его часть растяжение.

Термические напряжения постепенно уменьшаются по мере охлаждения рабочей поверхности диска и нагрева внутренней части. После выравнивания наружной и внутренней температур рабочие поверхности начинают испытывать напряжения растяжения, поскольку перед этим испытывали сжатие при нагреве. Если действие высоких термических напряжений происходит снова и снова, то в конечном счете на рабочей поверхности тормозного диска могут образоваться трещины.

Тормозные барабаны и тормозные диски проектируются так, чтобы противостоять самому тяжелому варианту появления термического напряжения при каждом применении тормозов, но многократные применения тормозов могут вызвать усталостные трещины. Следует чаще проверять тормоза, особенно если они использовались в режиме резкого торможения. 

 

 

Тормозные диски легких гоночных автомобилей не имеют проставок, и тепловой поток от них непосредственно идет к алюминиевой ступице. Такая конструкция может использоваться только на легких автомобилях с двигателями небольшой мощности, поскольку в них при торможении выделяется небольшая тепловая энергия. Однако колесные подшипники в таких ступицах должны заменяться несколько раз в сезоне.

Тормозные диски из композитных материалов.

Современные материалы тормозных дисков были разработаны для тормозов тяжелых самолетов и постоянно используются в гоночных автомобилях в соревнованиях Гран При (Grand Prix). Эти современные тормозные диски изготовлены из карбонового материала — карбоно-графит, композиция с бором. Тормозной диск из композитного материала легче чугунного, применительно к автомобилю формулы 1 Brabham, примерно на 13,5 кг, что позволяет ему работать при более высоких температурах, как показали наблюдения до 927°С без повреждений. При работе тормозов в условиях очень высоких температур используются графитовые композитные тормозные колодки. Поскольку тормозные диски из композитного материала для гоночных автомобилей являются экспериментальными, нет уверенности в том, что они когда-нибудь найдут применение на серийных автомобилях. Однако если производители автомобилей будут продолжать работу по снижению массы тормозов и стоимости композитных материалов, их применение вполне реально. В какой-то день такие тормоза могут оказаться и на вашем автомобиле, Проблема только в том, что композитные тормоза подвержены сильному износу из-за дорожной грязи.

Площадь охвата дискового тормоза это площадь трения тормозных колодок на обеих сторонах тормозного диска. Таким образом, более точно использовать R_p вместо R_r, однако поскольку в большинстве тормозов оба радиуса практически равны, для удобства расчета используется R_r, который легче измерить, чем R_P

Перечисленные выше удельные значения площади охвата тормозов для типичных автомобилей 1981/82 годов выпуска опубликованы в журнале Road@Track. Заметим, что мощные автомобили имеют более высокие значения этого показателя, по сравнению с экономичными седанами. Значения для гоночных автомобилей обозначены звездочкой. Тормоза гоночных автомобилей имеют большие размеры, и при этом сами автомобили обычно легче дорожных. Величина удельного параметра 3463,65 см²/т гоночного автомобиля Lancia Monte Carlo GP5 Turbo для гонок на большие дистанции говорит о мощных и долговечных тормозах.

СУППОРТЫ

Суппорты дисковых тормозов включают в себя тормозные колодки и гидравлические тормозные цилиндры с поршнями, которые прижимают колодки к тормозному диску. Существует много типов суппортов, которые отличаются материалом, конструкцией и расположением поршней. Независимо от этого, любые суппорты дисковых тормозов работают по одному и тому же принципу — когда водитель нажимает на педаль тормоза тормозная жидкость своим давлением заставляет перемещать тормозные колодки, которые зажимают тормозной диск. Суппорты большенства серийных легковых автомобилей выполнены из высокопрочного серого чугуна с шаровым графитом. Этот относительно дешевый материал подходит для массового производства, обеспечивая изготовление жесткого суппорта. Однако чугунные суппрорты достаточно тяжелые.гоночные или ваобще мощные автомобили обычно оснощаються суппортами из алюминевого сплава, масса которых почти в два раза меньше, чем суппортов из такогоже размера.

Тормозной диск АР Racing с криволинейными вентиляционными каналами имеет прорези, выполненные под углом таким образом, что при вращении ротора отбрасывается грязь. Как можно видеть на рисунке, тормозной диск должен быть установлен так, чтобы прорези «вращались» против часовой стрелки, если глядеть на рисунок. Фото предоставлено АР Racing.

Автомобиль Brabham Grand Prix оснащен тормозными дисками из композитного графитового материала. Экзотический (по тем временам — 80-е годы), применяемый в авиационной индустрии, может работать при экстремально высокой температуре. Тормоза продолжают работать даже при красном свечении тормозного диска.

Тормозной диск на задней оси драгстера с поперечными сверлениями выглядит как швейцарский сыр. При сверлении тормозного диска следует позаботиться, чтобы прочность диска не была ослаблена и чтобы не была нарушена его балансировка. Сверление отверстий снижает массу тормозного диска и, следовательно, его нагрев, поэтому тормоза драгстера остаются холодными при каждом торможении до полной остановки. Такие сверления более опасны в гонках на овальных треках и в раллийных автомобилях. Будьте осторожны!

Корпус плавающего суппорта с одним поршнем на внутренней стороне тормозного диска автомобиля Corvette 1984-го года выпуска изготовленный точным алюминиевым литьем.

Фиксированные или плавающие суппорта

Имееться два основных типа суппортов — фиксированные и плаваюшие. Различие между ними становиться очевидным при взгляде на них. Фиксированный суппорт имеет один или два поршня только на одной стороне тормозного диска. Корпус фиксированного суппорта жестко крепиться к цапфе или к картеру моста, а плавающий суппорт монтируеться таким образом, что он перемещаеться в направлении, противоположным движению поршня. Поскольку плавающий суппорт имеет поршень только на внутренней стороне тормозного диска, весь суппорт может смещаться внутрь, чтобы тормозная  колодка могла прижаться к тормозному диску.

Расположение плавающих суппортов на разных моделях может быть различным. Некоторые устанавливаются на направляющих штифтах и удерживаются между обработанными поверхностями, чтобы воспринимать тормозной момент. В других конструкциях используется гибкое крепление или крепление на рычажном механизме. В зависимости от типа крепления суппорты называются скользящими или шарнирными. Плавающие суппорты применяются на большинстве серийных автомобилей, в то время как фиксированные преимущественно на автомобилях гоночных. Это не означает, что один тип суппорта лучше другого — просто каждая конструкция имеет свои преимущества. Фиксированные суппорты имеют большее число поршней (два или четыре), они больше по размеру и тяжелее плавающих суппортов. При работе в тяжелых условиях они допускают большее число экстренных торможений до наступления перегрева суппорта. Кроме того, фиксированные суппорты обычно легче изгибаются, чем суппорты плавающие. Однако плавающие суппорты более компактны, лучше располагаясь в колесе, из-за расположения поршня на внутренней стороне тормозного диска они лучше охлаждаются.

Суппорт JFZ гоночного автомобиля является типичной конструкцией фиксированного суппорта — корпус суппорта жестко крепится, и только поршни могут перемещаться. Два поршня на каждой стороне размещаются в корпусе в цилиндрах, расточенных в корпусе суппорта. Суппорт в сборе крепится болтами к картеру моста или к стойке подвески через анкерные отверстия в нижней части корпуса. Соединительная тормозная трубка иногда изолируется, чтобы предотвратить закипание тормозной жидкости. Фото предоставлено JFZ Engineered Products.

Детали плавающего суппорта автомобиля Corvette 1984-го года выпуска. Направляющие штифты плотно входят в отверстия анкерной пластины. Штифты соосны с прошнем тормозного цилиндра, чтобы минимизировать скручивание корпуса. Рисунок предоставлен Girlock Ltd.

Плавающие суппорты имеют меньшее число движущихся деталей и уплотнений и, следовательно, меньше подвержены утечкам и износу. Недостатком плавающих суппортов является то, что они могут вызывать неравномерный износ тормозных колодок из-за перемещенияамого суппорта. Достоинством плавающих суппортов, установленных на дорожных автомобилях, является легкость применения механического стояночного тормоза, поскольку в конструкции с одним тормозным цилиндром он легко управляется тросом, в то время как в фиксированных суппортах с поршнями на обеих сторонах тормозного диска это сделать сложнее. Корпус суппорта можетбыть цельнометаллическим или состоять из нескольких частей соединяемых вместе болтами. В болтовых конструкциях используются только высокопрочные болты с высоким сопротивлем скручиванию, поскольку не допускается изгибание суппорта при резких торможениях. Поскольку суппорт охватывет тормозной диск, его корпус работает как изогнутая балка нагруженная силами приложенными к каждой торкио колодке. Если суппорт изгибается, водитель чувствует это по тормозной педали, становящейся «мягкой». Это также приводит, к перекосу поршней.

Всё это снижает согласованность действия тормозов и приводит к неравномерному износу тормозных колодок (появлению конусности).

Наблюдать изгиб суппорг можно с помощью С-образной струбцины, рама которой подобна корпусу суппорта дискового тормоза. Процесс зажимания струбцины моделирует зажимающее действие суппорта  дисковых тормозов. После тог как С-образная струбцина начинает зажиматься, продолжение вращения её ручки будет искривлять раму струбцины Это как раз то, что происходи с непрочным суппортом при энтенсивном торможении.

Часть корпуса суппорта, которая охватывает наружный диаметр тормозного диска, называется мост. Жесткость моста определяет жесткость всей конструкции суппорта, что является требованием при проектировании, поскольку от жесткости конструкции зависит  толщина поперечного сечения и масса суппорта. Так как суппорт располагается между наружней стороной тормозного диска и внутренней стороной колесного диска, требования по пространству для его размещения диктуют проектирование суппорта с небольшой величиной поперечного сечения. К сожалению это может привести к его изгибу Поскольку конструкция мостсуппорта является следствием компромисса, большинство суппортов выполняются с примерно одинаковой толщиной моста. Суппорты тормозов гоночных автомобилей для выигрыша в жесткости проектируются с широкими мостами. Поршень дискового тормоза устанавливается в отверстии, расточенном в корпусе суппорта. Плавающие суппорты обычно имеют один поршень на одной стороне тормозного диска, а фиксированные суппорты по одному или по двум поршням на каждой стороне тормозного диска. 

Плавающий суппорт, применяемый на задних тормозах одного из больших автомобилей Ford, имеет встроенный механизм стояночного тормоза. При повороте вала стояночного тормоза стальные шарики скатываются по наклонной плоскости и толкают поршень, приводя в действие тормоз. Рисунок предоставлен Bendix Corp.

Цельнометалический суппорт АР Racing, применяемый на небольших гоночных автомобилях, работает со сплошным тормозным диском диаметром 254 мм и толщиной 9,52 мм. Суппорт оснащается тормозными цилиндрами с поршнями диаметром 41,28 или 44,45 мм. Фото предоставлено АР Racing.

Этот суппорт, состоящий из двух частей, предназначен для небольших гоночных автомобилей с тормозными дисками диаметром 266,7 мм и толщиной 11,18 мм. В этом используются поршни диаметром 50,8 мм. Фото предоставлено АР Racing.

В суппортах тормозов тяжелых мощных автомобилей один поршень не может эффективно работать. Альтернативой здесь является суппорт с одним большим поршнем, который можно расположить в нише колеса. Чем больше суппорт, тем он шире. Если один поршень работает с широкой прямоугольной тормозной колодкой, то рабочая поверхность последней не может иметь равномерный контакт с тормозным диском. 

1 — Мост; 2 — Деформация под действием ссилы Р;  3 — Тормозной диск. Давление тормозной жидкости вы зывает действие силы Р на каждой стороне суппорта, которая старается изогнуть его мост. Жесткость моста суппорта является очень важным параметром для его конструкции. Если мост суппорта выполнен с очен большой толщиной, то он может не поместиться в нише колеса. С друго стороны, большинство конструкторов автомобилей хотят иметь максимально большой диаметр тормозного дис ка, так что толщина моста имеет определенные ограничения.

Если тормозная колодка перекрывает размеры поршня, то она при действии тормозов будет изгибаться. К тормозному диску хорошо прижимает только та часть колодки, которая располагается непосредственно за поршнем. Минимизирует эту проблему использование нескольких поршней в суппорте.

Широкая тормозная колодка, используемая с одним большим поршнем, создает неравномерное давление на  тормозной диск. «Консольные” концы колодки выгибются и создают небольшое давление. Широкие тормозные колодки должны использоваться в суппорте с несколькими поршнями. Более равномерное давление колодок на тормозной диск создаеться двумя небольшими поршнями, что обеспечивает более эффективное торможение.

1 — Поршень; 2,5- Тормозная колодка; 3,6 — Суппорт; 4,7 — Уплотнитель; 8 — Тормоза задействованы; 9 — Тормоза отпущены. Поперечное сечение по уплотнителю поршня показывает положение уплотнителя во время торможения и при отпущенных тормозах. Когда тормоза отпускаются, уплотнитель оттягивает поршень от тормозного диска. По мере износ тормозной накладки уплотнитель скользит по поршню для компенсации его положения.

В попытке распространить усилие поршня суппорта равномерно по тормозной колодке и достигнуть максимальной площади поршня для суппорта данного размера, Frank Airheart разработал для Alston Industries суппорт гоночного автомобиля с некруглым поршнем. Этот необычный поршень, по форме напоминающий почку, приблизительно соответствует форме тормозной накладки. Соответственно, имеется небольшое перекрытие поршнем тормозной колодки и, как следствие, небольшая деформация тормозной колодки.

Frank Airheart, выполняя работу для Alston Industries, спроектировал этот суппорт для гоночного автомобиля с некруглыми поршнями. Поршни, напоминающие форму почки, хорошо сочетаются с тормозными колодками, обеспечивая более равномерное давление прижатия колодок к тормозному диску. Рисунок предоставлен Alston Industries.

Суппорты с несколькими поршнями применяются в тормозах больших мощных автомобилей. Большинство гоночных автомобилей с двигателями мощностью больше 150 л.с. (110,4 кВт) имеют тормоза с несколькими поршнями в суппорте. Суппорты самого большого размера имеются на серийных гоночных автомобилях и на автомобилях GT. Эти суппорты охватывают около половины тормозного диска. Обычно большие суппорты с несколькими поршнями имеют фиксированную конструкцию, плавающие суппорты с нескольками поршнями в гонках используются редко, хотя BMW использует большой двухпоршневой плавающий алюминием суппорт АТЕ на купе М1.

Большинство поршней суппортов изготовляются стальными, из алюминиевого сплава или чугуна. Для дорожных транспортных средств благодаря малой стоимости и низкой теплопроводности становиться литой финольный пластик. Однако он пока еще не нашел применения в гоночных автомобилях различного назначения, хотя он должен очень хорошо работать там, где имеется проблема закипания тормозной жидкости.

Силы на тормозных колодках, обозначенные как F_f, действуют против силы R, приложенной к кронштейну суппорта. Поскольку направление силы R может не совпадать с плоскостью тормозного диска, возникает скручивающий момент Т, также приложенный к кронштейну суппорта. Действие скручивающего момента на кронштейн показано на рисунке. Если кронштейн недостаточно жесткий, то суппорт может прихватывать тормозной диск, вызывая неравномерный износ тормозных накладок, пружинистость и увеличенный ход педали тормоза. Применяйте жесткий кронштейн суппорта, и такой проблемы не будет.

Суппорт этого спортивного автомобиля прикрепляется крепким кронштейном к цапфе. Поскольку цапфа не была спроектирована для установки суппорта дисковых тормозов, болты крепления далеко выступают от суппорта. Риск скручивания кронштейна может быть значительно уменьшен утяжелением опорной его пластины.

В серийных гоночных автомобилях используются суппорты больших размеров. На этом рисунке показан популярный суппорт Hurst/Airheart с двумя поршнями на каждой его стороне.

Фирма Tilton Engineering продает прочные установочные кронштейны суппортов для популярных гоночных моделей. Этот кронштейн имеет крепление четырьмя болтами, обычно применяемое для крепления тормозного щита барабанных тормозов. Дисковые тормоза могут быть, таким образом, установлены вместо барабанных тормозов с помощью такого адаптированного кронштейна.

Поршень дискового тормоза обычно уплотняется кольцом прямоугольного поперечного сечения, которое растягивается при движении поршня по направлению к тормозному диску. Когдатормоза отпускаются растянутое резиновое кольцо оттягивает поршень, исключая необходимость установки возвратных пружин. Поскольку поверхности тормозной колодки и тормозного диска плоские, требуется всего небольшое перемещение, чтобы между ними образовался зазор. Следовательно, дисковые тормоза не требуют регулировки, поскольку по мере износа поршень подвигается к тормозному диску, выбирая увеличенный зазор.

Некоторые суппорты проектируются с возвратными пружинами поршней — суппорты конструкции Frank Airheart для гоночных автомобилей имеют такое возвратное устройство, чтобы исключить подтормаживание тормозного диска колодкой. В этом случае используется главный тормозной цилиндр несколько иной конструкции. Эта проблема обсуждается в главе пятой.

Установка суппорта. Очень важно, чтобы суппорт не перемещался и не изгибался при применении тормозов (это не касается поперечного перемещения плавающего суппорта). Если устройство крепления суппорта податливое, он при перемещении может скручиваться, что вызывает неравномерный износ тормозных накладок, пружинистость и увеличенный ход педали тормоза.

Обычно ошибочной конструкцией тормозов гоночных автомобилей является использование тонких и гибких кронштейнов для крепления суппортов к цапфе Поскольку тормозной диск и кронштейн суппорта располагаются в двух различных плоскостях, последний воспринимае скручивающий момент во врем приложения тормозов. Если кронштейн слишком тонки он будет скручиваться, вызывая прихватывание суппортом тормозного диска. Обычно толщина установочного кронштейна суппорта должна составлять по крайней мере 12,7 мм, особенно на больших серийных гоночных автомобилях.

ЗАЩИТНЫЕ ЭКРАНЫ

Внутренняя сторона тормозного диска на большинстве серийных автомобилей закрыта экраном, выполненным из стального листа, подобно конструкции тормозного щита барабанных тормозов. Это защитный экран, который препятствует попаданию на внутреннюю рабочую поверхность тормозного диска различной грязи и воды. Защитный экран не предназначен для усиления конструкции тормозов. Если защитный экран отсутствует, то дорожный мусор может вызвать образование задиров и повышенный износ внутренней стороны тормозного диска.

К сожалению, защитные экраны оказывают сопротивление прохождению охлаждающего воздуха к тормозному диску, поэтому защитные экраны обычно не устанавливаются на тормоза гоночных автомобилей, которые требуют полного доступа воздуха для охлаждения. Другой проблемой является загрязнение дорожной грязью. Следовательно, удаление защитного экрана является компромиссом между обеспечением хорошего охлаждения тормозов и защитой от загрязнения тормозного диска.

ТОРМОЗНЫЕ КОЛОДКИ

Фрикционный материал дисковых тормозов обычно приклеивается к боковой поверхности тормозных колодок, которые обычно изготовляются из стального листа. Приклеивание тормозных накладок осуществляется в процессе формования, но иногда установка накладок выполняется как раздельные операции прикрепления заклепками и закрепления обычными адгезивными материалами.

Тормозные колодки продаются с уже прикрепленными тормозными накладками. В отличие от барабанных тормозов тормозные колодки повторно не используются.

Поршень в тормозном суппорте обычно не воспринимает непосредственную нагрузку от тормозной колодки. На многих автомобилях имеются противо-скрипные шайбы, устанавливаемые между поршнем и тормозной колодкой. Эти стальные шайбы предназначены для уменьшения шума, возникающего, когда происходит вибрирование, или дребезжание колодки по тормозному диску. При техническом обслуживании тормозов следуйте инструкциям производителей, поскольку состояние противоскрипных шайб может потребовать их замены вместе с тормозными колодками.

На некоторых гоночных автомобилях между тормозными колодками и поршнями суппортов устанавливаются изоляторы, что делается с целью снижения температуры тормозной жидкости и уплотнителей поршней. Слишком высокая температура может вызвать разрушение уплотнителей и закипание тормозной жидкости. Если требуется использовать изолятор, то он должен быть жестким, прочным и не слишком большим. Такие противоречивые требования создают большие сложности при проектировании хорошего изолятора. Описание фрикционных материалов подробно рассматривается в следующей главе.

На фотографии заднего тормоза Corvett 1984 года выпуска, показан защитный экран тормозного диска. Тонкая круга пластина, установленная за тормозным диском, защищает его от дорожной грязи и воды.  Дорож ные транспортные средства имеют защитные экраны, что обеспечивает хорошие тормозные характеристики на грязных дорогах. На большинстве  гоночных автомобилей лучше не устанавливать защитные экраны, так как они препятствуют прохожу охлаждающего воздуха к тормозам. Фото предоставлено Girlock Ltd.

«Гоночные» тормозные колодки выглядят также как и колодки для дорожных автомобилей. Тормозные колодки представляют собой накладки из фрикционного материала, наклеенные на боковую сторону стальной пластины. Тормозим колодки, показанные на фото, спроектированы для суппортов JFZ для использования на гоночных драгстерах. Фото предоставлено JFZ Engineering Products.

  P.S Глава взята из книги «Тормоза спортивного автомобиля» Фред Пун, в переводе редакторов ЗАО «Легион-Автодата» и рассказывает о тонкостях строения дисковых тормозных систем.  Статья полезна для новичков, но в ней есть параграфы которые будут интересны и тем кто давно в автоспорте. В целом книга «Тормоза спортивного автомобиля» будет полезна тем кто занимаеться кольцевыми и ралийными гонками. Отдельная благодарнасть Андрею Микиненко за сотруднечество.

Устройство и принцип работы барабанных тормозов

Барабаны, конечно, давно проиграли эволюционную войну дискам, но по сей день достаточно активно используются на недорогих и легких машинах. Все Лады, Renault Logan, VW Polo sedan, Skoda Rapid, Daewoo Matiz – список вполне современных моделей, использующих эти архаичные, но долговечные тормозные механизмы, будет очень длинным. А значит – нелишне знать, как они устроены, почему ломаются и как чинятся. После теоретической подготовки отправимся в ремзону, где обследуем барабаны редкого китайского седанчика Chery Jaggi, более известного в России под именем QQ.

Содержание статьи